En esta representación artística del experimento de compresión láser, láseres de alta potencia se enfocan en la superficie de un diamante, generar una secuencia de ondas de choque que se propagan por todo el conjunto de la muestra (de izquierda a derecha), comprimiendo y calentando simultáneamente la muestra de agua inicialmente líquida, obligándolo a congelarse en la fase de hielo de agua superiónica. Crédito:Millot, Coppari, Hamel, Krauss (LLNL)
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) utilizaron láseres gigantes para congelar el agua en su exótica fase superiónica y registrar patrones de difracción de rayos X para identificar su estructura atómica por primera vez, todo en solo unas mil millonésimas de segundo. Los hallazgos se informan hoy en Naturaleza .
En 1988, Los científicos predijeron por primera vez que el agua pasaría a un estado exótico de la materia caracterizado por la coexistencia de una red sólida de oxígeno e hidrógeno líquido (hielo superiónico) cuando se someta a las presiones y temperaturas extremas que existen en el interior de un gigante rico en agua. planetas como Urano y Neptuno. Estas predicciones se mantuvieron vigentes hasta 2018, cuando un equipo dirigido por científicos del LLNL presentó la primera evidencia experimental de este extraño estado del agua.
Ahora, los científicos del LLNL describen nuevos resultados. Usando ondas de choque impulsadas por láser y difracción de rayos X in situ, observan la nucleación de una red cristalina de oxígeno en unas mil millonésimas de segundo, revelando por primera vez la estructura microscópica del hielo superiónico.
Los datos también proporcionan más información sobre la estructura interior de los planetas gigantes de hielo.
"Queríamos determinar la estructura atómica del agua superiónica, "dijo la física de LLNL Federica Coppari, coautor principal del artículo. "Pero dadas las condiciones extremas en las que se predice que este escurridizo estado de la materia será estable, Comprimir el agua a tales presiones y temperaturas y simultáneamente tomar instantáneas de la estructura atómica fue una tarea extremadamente difícil, lo que requirió un diseño experimental innovador ".
Los investigadores realizaron una serie de experimentos en las instalaciones de láser Omega del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester. Utilizaron seis rayos láser gigantes para generar una secuencia de ondas de choque de intensidad progresivamente creciente para comprimir una capa delgada de agua inicialmente líquida a presiones extremas (100-400 gigapascales (GPa), o 1-4 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra) y temperaturas (3, 000-5, 000 grados Fahrenheit).
"Diseñamos los experimentos para comprimir el agua para que se congelara en hielo sólido, pero no era seguro que los cristales de hielo se formaran y crecieran realmente en las pocas mil millonésimas de segundo en las que podemos mantener las condiciones de presión-temperatura, ", dijo el físico y coautor principal de LLNL, Marius Millot.
En esta fotografía integrada en el tiempo de un experimento de difracción de rayos X, láseres gigantes se enfocan en la muestra de agua, sentado en la placa frontal del diagnóstico utilizado para registrar patrones de difracción, para comprimirlo en la fase superiónica. Los rayos láser adicionales generan un destello de rayos X de una lámina de hierro que permite a los investigadores tomar una instantánea de la capa de compresa / agua caliente. Los diagnósticos controlan el historial de tiempo de los pulsos láser y el brillo de la fuente de rayos X emitida. Crédito:Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
Para documentar la cristalización e identificar la estructura atómica, el equipo explotó una pequeña lámina de hierro con 16 pulsos de láser adicionales para crear un plasma caliente, que generó un destello de rayos X sincronizados con precisión para iluminar la muestra de agua comprimida una vez que se llevó al dominio de estabilidad previsto del hielo superiónico.
"Los patrones de difracción de rayos X que medimos son una firma inequívoca de los cristales de hielo densos que se forman durante la compresión ultrarrápida de la onda de choque, lo que demuestra que la nucleación del hielo sólido a partir del agua líquida es lo suficientemente rápida como para ser observada en la escala de tiempo de nanosegundos del experimento, "Dijo Coppari.
"En el trabajo anterior solo pudimos medir propiedades macroscópicas como la energía interna y la temperatura, "Millot agregó." Por lo tanto, diseñamos un experimento nuevo y diferente para documentar la estructura atómica. Encontrar evidencia directa de la existencia de una red cristalina de oxígeno trae la última pieza que falta al rompecabezas con respecto a la existencia de hielo de agua superiónica. Esto le da fuerza adicional a la evidencia de la existencia de hielo superiónico que recolectamos el año pasado ".
Analizando cómo variaron los patrones de difracción de rayos X para los diferentes experimentos que sondearon las condiciones de aumento de presión y temperatura, el equipo identificó una transición de fase a una estructura atómica cúbica centrada en la cara (f.c.c.) previamente desconocida para el hielo de agua denso.
"Se sabe que el agua tiene muchas estructuras cristalinas diferentes conocidas como hielo Ih, II, III, hasta XVII, "Coppari dijo." Entonces, proponemos llamar a la nueva f.c.c. forma sólida 'hielo XVIII'. Las simulaciones por computadora han propuesto una serie de posibles estructuras cristalinas diferentes para el hielo superiónico. Nuestro estudio proporciona una prueba crítica para los métodos numéricos ".
Los datos del equipo tienen profundas implicaciones para la estructura interior de los planetas gigantes de hielo. Dado que el hielo superiónico es, en última instancia, un sólido, la idea de que estos planetas tengan una capa uniforme de fluido de rápida convección ya no se sostiene.
"Debido a que el hielo de agua en las condiciones interiores de Urano y Neptuno tiene una red cristalina, sostenemos que el hielo superiónico no debería fluir como un líquido como el núcleo externo de hierro fluido de la Tierra. Bastante, Probablemente sea mejor imaginarse que el hielo superiónico fluiría de manera similar al manto de la Tierra, que está hecho de roca sólida, sin embargo, fluye y soporta movimientos convectivos a gran escala en escalas de tiempo geológicas muy largas, ", Dijo Millot." Esto puede afectar drásticamente nuestra comprensión de la estructura interna y la evolución de los planetas gigantes helados, así como a todos sus numerosos primos extrasolares ".
